如何降低陶瓷基板熱應(yīng)力

陶瓷基板是微電路模塊中常用的基板材料，陶瓷基板在加熱的過程會產(chǎn)生熱應(yīng)力，然而，陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與鋁合金外殼差異很大，由此導(dǎo)致的熱應(yīng)力有時足以造成陶瓷基板的斷裂。那么如何降低陶瓷基板熱應(yīng)力呢？

DBC陶瓷基板

陶瓷基板封裝外面是鋁合金材料的情況，熱應(yīng)力的處理方式。

陶瓷基板封裝如果用鋁合金材料做外寬，陶瓷與鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)差異巨大。當(dāng)溫度變化時，二者收縮或膨脹變形相互制約（墊板的熱膨脹系數(shù)與陶瓷接近，理論分析時可以近似看成一體）。這種相互制約的熱變形不僅在結(jié)構(gòu)平面方向（即x方向和y方向）產(chǎn)生熱應(yīng)力。更重要的是，由于幾何尺寸和材料力學(xué)性不同導(dǎo)致二者剛度差異，使整個結(jié)構(gòu)每個縱向截面上的應(yīng)變和應(yīng)力的大小、方向不同，由此產(chǎn)生了附加彎矩，這一彎矩使整體結(jié)構(gòu)向盒體內(nèi)部或外部彎曲。在低溫時刻，下方的鋁合金收縮量大于上方的陶瓷基板，結(jié)構(gòu)向盒體內(nèi)部彎曲。在高溫時刻，變形情況正好相反。陶瓷基板應(yīng)力是面內(nèi)拘束導(dǎo)致的熱應(yīng)力和附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力疊加后共同作用的結(jié)果。

基于上述的應(yīng)力形成和變形過程，進行如下有限元分析：陶瓷基板厚度0.4mm，墊板厚度0.2mm，盒體底部厚度1.0mm。分為兩種情況：一種情況讓整個結(jié)構(gòu)在溫循狀態(tài)下自由變形，另一種情況則固定鋁合金盒體底部抑制其彎曲變形。陶瓷等脆性材料最主要的斷裂模式是在拉應(yīng)力作用下的Ⅰ型張開型裂紋擴展斷裂。

采用第一主應(yīng)力（即最大拉應(yīng)力）作為基板可靠性的評價指標(biāo)。分析結(jié)果如下圖所示，可以看到，結(jié)構(gòu)自由變形時，鋁合金底部向內(nèi)部彎曲明星，陶瓷基板最大應(yīng)力達到258MPa，固定鋁合金盒體底部后，陶瓷基板的應(yīng)力有了大幅降低，應(yīng)力峰值僅為34.9MPa。由此可以看出，陶瓷基板上的應(yīng)力主要來源于附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力。降低這種封裝結(jié)構(gòu)中陶瓷基板的應(yīng)力，則主要應(yīng)考慮減小這種彎矩作用。

抑制附加彎矩作用，首先考慮增加鋁盒體底部厚度以提高封裝盒體剛度。采用有限元方法分析了增加盒底厚度對陶瓷基板應(yīng)力的的影響，并對其中的部分試驗組進行了實際的溫循試驗，逐步增加鋁合金盒底厚度，其余參數(shù)固定不變其余參數(shù)固定不變。結(jié)果均表明：陶瓷基板拉應(yīng)力峰值隨著盒底厚度的增加而不斷減小。

從結(jié)果可以看出：相同結(jié)構(gòu)形式，基相同結(jié)構(gòu)形式，基板厚度越厚，陶瓷基板的拉應(yīng)力峰值越大，可靠性也相應(yīng)降低。相應(yīng)的溫循試驗結(jié)果也驗證了這一結(jié)論。實際上，已有研究均表明，陶瓷材料的斷裂強度有著明顯體積效應(yīng)。越大結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大尺寸微裂紋的概率越高，因此斷裂強度要比小體積的陶瓷結(jié)構(gòu)低。

鋁合金與陶瓷基板由于熱膨脹系數(shù)差異巨大，因此溫度變化時導(dǎo)致陶瓷基板產(chǎn)生過高的熱應(yīng)力，降低了基板可靠性。本文采用有限元分析和溫循試驗相結(jié)合的方法研究了如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度降低陶瓷基板失配應(yīng)力的問題。研究結(jié)果表明，陶瓷基板應(yīng)力是面內(nèi)拘束導(dǎo)致的熱和附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力疊加后作用結(jié)果，且主要是后者作用的結(jié)果。為提高這種結(jié)構(gòu)中陶瓷基板的可靠性，應(yīng)遵循降低陶瓷基板/鋁合金外殼盒底厚度比的設(shè)計原則。如果基板厚度一定，選用厚底的鋁合金封裝盒體可明顯降低基板應(yīng)力峰值。封裝盒底和墊板厚度一定時，薄陶瓷基板應(yīng)力水平更低，有更高的可靠性。

鋁合金外殼使用陶瓷基板，墊板和陶瓷基板結(jié)合組合。

在鋁合金外殼中使用陶瓷基板時，通常需在盒體與陶瓷基板之間加入過渡墊板作為應(yīng)力應(yīng)變緩沖，材料通常采用鉬銅或可伐合金，小編采用有限元方法分析這類結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)試驗過程中的應(yīng)力大小和分布。溫度循環(huán)條件：-65℃~150℃，保持時間30min，轉(zhuǎn)換時間1min。焊料的本構(gòu)模型采用Anand模型,為了使分析結(jié)果更具一般性，共分析了3種大小不同的盒體、墊板和陶瓷基板結(jié)構(gòu)組合。